Сверхбыстрая терагерцовая технология с помощью электронных метаустройств

Сверхбыстрая связь на терагерцевых частотах теперь возможна с использованием «электронных метаустройств», которые могут подготовить почву для следующего поколения быстрых гаджетов. Новое исследование показало, что способ, которым эти новые устройства управляют электрическими полями, аналогичен тому, как плащи-невидимки манипулируют светом, теплом и звуком.

Поскольку электроника сжимается в соответствии с законом Мура, она сталкивается с многочисленными проблемами с точки зрения практического применения. Часто проблемы, с которыми сталкиваются эти устройства, приводят к значительному снижению производительности, чем можно было бы ожидать, учитывая потенциал полупроводниковых материалов, из которых они изготовлены.

Например, устройства меньшего размера могут выдерживать лишь несколько вольт из-за чрезвычайно сильных электрических полей, что ограничивает максимальную мощность, которую они могут выдавать. Кроме того, максимальные рабочие частоты миниатюрных гаджетов зачастую резко ограничиваются неизбежными высокими паразитными емкостями. Более того, современные туннельные переходы, которые широко используются в транзисторах и диодах, испытывают высокое контактное сопротивление, то есть электрическое сопротивление в точках контакта с другими компонентами, что ограничивает общую производительность устройств.

Чтобы преодолеть эти проблемы, в новом исследовании исследователи черпали вдохновение из недавних выдающихся достижений, достигнутых в области метаматериалов, которые обладают свойствами, обычно не встречающимися в природе, такими как способность преломлять свет неожиданным образом. Такая работа привела к созданию плащей-невидимок, которые могут скрывать объекты от света, звука, тепла и других типов волн.

Оптические метаматериалы, предназначенные для управления светом, обладают структурами с повторяющимися узорами в масштабах, меньших, чем длины волн света, на которые они влияют. В новом исследовании исследователи разработали устройства, которые спроектированы аналогичным образом, поскольку они обладают структурами меньшего размера, чем волнообразные коллективные электромагнитные взаимодействия, для управления которыми они разработаны.

«Мы разработали новые виды устройств, которые являются альтернативой транзисторам и диодам и обеспечивают гораздо более высокие скорости», — говорит ведущий автор исследования Мохаммад Самизаде Нику, инженер-электрик из Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе. «Мы называем эту концепцию «электронными метаустройствами», и она может делать гораздо больше, чем обычное устройство».

В обычном электронном устройстве можно найти два прямоугольных контакта, разделенных прямоугольным зазором. Вместо этого в электронном метаустройстве можно увидеть пару терминалов, каждый из которых имеет форму ключа, причем зубцы одного ключа входят в зазоры другого, и наоборот. Зазор между этими клеммами в форме ключа имеет зигзагообразную, а не прямую форму. Точный размер и другие характеристики компонентов электронного метаустройства помогают определить, какими частотами оно манипулирует и какие эффекты оказывает.

Обычные электронные устройства «основаны на управлении электронами — есть ворота, которые либо пропускают электроны, либо заставляют их останавливаться», — говорит Самизаде Нику. Напротив, электронные метаустройства управляют микроволновыми, миллиметровыми, терагерцовыми и другими радиочастотными электромагнитными сигналами «не вводя ни единого электрона», говорит он.

Ученые отмечают, что эта концепция в целом применима к любой полупроводниковой платформе, включая обычные КМОП-системы, алмаз и новейшие 2D-материалы. «Эта новая технология может изменить будущее сверхвысокоскоростной связи, поскольку она совместима с существующими процессами производства полупроводников», — говорит Самизаде Нику.

Эти новые устройства могут помочь преодолеть серьезную проблему, с которой сегодня сталкивается электроника. Современная беспроводная связь может использовать сигналы, скорость которых достигает десятков гигагерц; Будущим коммуникациям 6G потребуются сигналы частотой до 1 терагерца. «Однако традиционные электронные устройства, такие как транзисторы, не могут работать на таких высоких скоростях, которые часто называют терагерцовым разрывом», — говорит Самизаде Нику. «Это главное узкое место в развитии технологий будущего».